CN103339374A - Apparatus utilizing buoyancy and method of use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
相关申请的交叉引用Cross References to Related Applications
基于35U.S.C.119(e),本申请要求了2010年11月9日提交的,序列号为61/411,772的美国临时申请的优先权,其全部内容通过引用被明确地纳入到此处。This application claims priority under 35 U.S.C. 119(e) to U.S. Provisional Application Serial No. 61/411,772, filed November 9, 2010, the entire contents of which are expressly incorporated herein by reference.
背景技术Background technique
1.技术领域1. Technical field
在本文中公开的发明构思通常涉及利用浮力的设备及其使用方法。更具体的,但并非以限制的方式,在本文中公开的发明构思涉及通过在潜水体的几个表面上方成倍地提升液柱来利用浮力的设备及其使用方法。The inventive concepts disclosed herein relate generally to devices utilizing buoyancy and methods of use thereof. More specifically, but not in a limiting manner, the inventive concepts disclosed herein relate to devices and methods of use for exploiting buoyancy by multiplying a liquid column above several surfaces of a diving body.
2.相关技术领域简述2. Brief description of related technical fields
已经探索过的是,浮力的性质使其成为可再生的或者″绿色″能量来源,因为它能够利用在水中的物体的浮力,而不会产生附带的环境污染和温室气体。It has been explored that the properties of buoyancy make it a renewable or "green" source of energy because it enables the use of the buoyancy of objects in water without the attendant environmental pollution and greenhouse gases.
现有技术的浮力装置通常依靠利用波浪或流水的浮力能,并且因而具有有限的应用,因为它们必须安装在波浪或流水可用于工作的特定地点。进一步,这些现有技术装置不能产生一致的能量水平,因为这些现有技术装置的能量输出受波浪、潮汐、以及季节性水位变化的波动的影响。Prior art buoyancy devices generally rely on harnessing the buoyancy energy of waves or flowing water, and thus have limited application because they must be installed in specific locations where waves or flowing water are available to work. Further, these prior art devices cannot produce consistent energy levels because the energy output of these prior art devices is affected by fluctuations in waves, tides, and seasonal water level changes.
现有的浮力装置的另一个问题在于它们常常是具有多个组件的复杂的设备,其要求频繁的维护和更换,并且实施和操作起来很昂贵。进一步,这些复杂的装置常常受到低效率的困扰,并且由于过度复杂的设计它们常常是不可靠的。Another problem with existing buoyancy devices is that they are often complex devices with multiple components that require frequent maintenance and replacement and are expensive to implement and operate. Further, these complex devices often suffer from inefficiencies, and they are often unreliable due to overly complex designs.
因此,需要一种能够被安装在任何地点并且能够获取浮力以产生一致的能量的设备。本发明的构思就是针对这样的设备及其使用方法。Therefore, there is a need for a device that can be installed anywhere and that can harvest buoyancy to generate consistent power. The concept of the present invention is directed to such a device and its method of use.
附图说明Description of drawings
在图中相同的附图标记表示和指示相同或类似的元件或功能。当考虑到以下其详细的描述时,公开的实施方式可以被更好地理解。这些描述参照了随附的插图、示意图、图表、图形、以及附录。在图中:In the figures the same reference numerals denote and indicate the same or similar elements or functions. The disclosed embodiments are better understood when considered in its detailed description below. These descriptions refer to the accompanying illustrations, diagrams, diagrams, graphs, and appendices. In the picture:
图1是根据本文中公开的发明构思构造的设备的示意图。Figure 1 is a schematic diagram of an apparatus constructed in accordance with the inventive concepts disclosed herein.
图2是图1示出的设备的单元的剖视图。FIG. 2 is a cross-sectional view of a unit of the apparatus shown in FIG. 1 .
图3A是根据本文中公开的发明构思的外部箱的剖视图。FIG. 3A is a cross-sectional view of an external case according to the inventive concepts disclosed herein.
图3B是图3A示出的外部箱的俯视图。Fig. 3B is a top view of the external case shown in Fig. 3A.
图4A是根据本文中公开的发明构思构造的分隔舱的剖视图。4A is a cross-sectional view of a pod constructed in accordance with the inventive concepts disclosed herein.
图4B是图4A示出的分隔舱的仰视图。Figure 4B is a bottom view of the pod shown in Figure 4A.
图4C是图4A示出的分隔舱的俯视图。Figure 4C is a top view of the pod shown in Figure 4A.
图5A是示出了处于完全浸没状态的根据本文中公开的发明构思的分隔舱和内部环壁的剖视图。Figure 5A is a cross-sectional view showing a pod and inner annular wall in a fully submerged state according to the inventive concepts disclosed herein.
图5B是图5A示出的处于预填充状态的的分隔舱和环壁的剖视图。Figure 5B is a cross-sectional view of the compartment and annular wall shown in Figure 5A in a pre-filled state.
图5C是图5A示出的处于完全延伸状态的分隔舱和环壁的剖视图。Figure 5C is a cross-sectional view of the compartment and annular wall shown in Figure 5A in a fully extended state.
图6是示出了浸没在外部箱中的根据在本文中公开的发明构思构造的内部提升管的剖视图。6 is a cross-sectional view showing an inner riser constructed in accordance with the inventive concepts disclosed herein submerged in an outer tank.
图7是示出了根据本文中公开的发明构思浸没在外部箱中的外部提升管的实施方式的剖视图。Figure 7 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of an external riser submerged in an external tank according to the inventive concepts disclosed herein.
图8A是图7示出的压头-延伸器的剖视图。8A is a cross-sectional view of the indenter-extender shown in FIG. 7 .
图8B是图8A示出的压头-延伸器的俯视图。Figure 8B is a top view of the indenter-extender shown in Figure 8A.
图9A是根据本文中公开的发明构思构造的外部提升管的实施方式的侧视图。Figure 9A is a side view of an embodiment of an outer riser constructed in accordance with the inventive concepts disclosed herein.
图9B是图9A示出的外部提升管的俯视图。Figure 9B is a top view of the outer riser shown in Figure 9A.
图9C是图9A示出的外部提升管的压头-延伸器的剖视图。Figure 9C is a cross-sectional view of the head-extender of the outer riser shown in Figure 9A.
图10A是图9A中的外部提升管的下部的剖视图。Figure 1OA is a cross-sectional view of the lower portion of the outer riser in Figure 9A.
图10B是图10A示出的外部提升管的下部的仰视图。Figure 10B is a bottom view of the lower portion of the outer riser shown in Figure 10A.
图10C是图10A中的外部提升管的下部的俯视图。Figure 10C is a top view of the lower portion of the outer riser in Figure 10A.
图11是根据本文中公开的发明构思的液压俘获系统的示意图。11 is a schematic diagram of a hydraulic capture system according to the inventive concepts disclosed herein.
图12是根据本文中公开的发明构思的差动空气质量交换器的实施方式的透视图。12 is a perspective view of an embodiment of a differential air mass exchanger according to the inventive concepts disclosed herein.
图13是根据本文中公开的发明构思的差动空气质量交换器的实施方式的正视图。13 is a front view of an embodiment of a differential air mass exchanger according to the inventive concepts disclosed herein.
图14是示出了处于完全浸没状态的根据本文中公开的发明构思构造的设备的剖视图。Fig. 14 is a cross-sectional view showing a device constructed in accordance with the inventive concepts disclosed herein in a fully submerged state.
图15是图14示出的设备处于预填充状态的剖视图。Figure 15 is a cross-sectional view of the device shown in Figure 14 in a pre-filled state.
图16是图14示出的设备处于浸没状态和延伸状态之间的中点的剖视图。Fig. 16 is a cross-sectional view of the device shown in Fig. 14 at a midpoint between the submerged state and the extended state.
图17是图14示出的设备处于浸没状态和延伸状态之间的中点的剖视图,其具有为了清楚而未示出的空气膨胀。Fig. 17 is a cross-sectional view of the device shown in Fig. 14 at a midpoint between the submerged state and the extended state, with air expansion not shown for clarity.
图18是图14示出的设备处于完全延伸状态的剖视图。Figure 18 is a cross-sectional view of the device shown in Figure 14 in a fully extended state.
图19是根据本文中公开的发明构思构造的设备的示例性实施方式的剖视图。19 is a cross-sectional view of an exemplary embodiment of an apparatus constructed in accordance with the inventive concepts disclosed herein.
图20是根据本文中公开的发明构思的质量交换器的示例性实施方式的正视图。20 is a front view of an exemplary embodiment of a mass exchanger according to the inventive concepts disclosed herein.
具体实施方式Detailed ways
在详细地解释本文中公开的发明构思的至少一个实施方式之前,应当理解的是,该发明构思并不限于在下面的描述中阐述的或者在附图中示出的构造的细节以及组件或步骤或方法的排列的应用。本文中公开的发明构思适于其他的实施方式,或者适于以不同的方式实践和实施。此外,应当理解的是,本文中采用的措辞和术语仅仅是出于描述的目的,并且不应当被认定为以任何方式限制本发明的构思和权利要求,除非有相反的特别声明。Before explaining at least one embodiment of the inventive concepts disclosed herein in detail, it is to be understood that the inventive concepts are not limited to the details of construction and components or steps set forth in the following description or shown in the drawings. or the application of permutations of methods. The inventive concepts disclosed herein are adaptable to other embodiments or to being practiced and carried out in different ways. Furthermore, it should be understood that the phraseology and terminology employed herein are for descriptive purposes only and should not be construed as limiting the inventive concepts and claims in any way unless specifically stated to the contrary.
在下面的发明构思的实施方式的详细描述中,许多具体细节的阐述是为了提供对发明构思的更深入地理解。然而,对于本领域技术人员显而易见的是,在公开内容中的发明构思可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他的例子中,众所周知的特征没有被详细地描述以避免使得此公开不必要的复杂化。In the following detailed description of embodiments of the inventive concept, numerous specific details are set forth in order to provide a deeper understanding of the inventive concept. It will be apparent, however, to one skilled in the art that the inventive concepts in the disclosure may be practiced without these specific details. In other instances, well-known features have not been described in detail to avoid unnecessarily complicating the disclosure.
如在本文中使用的添加到附图标记的符号“a-n”是为了仅仅方便速记以指示通过各自的附图标记(例如100a-n)识别的一个、或不止一个、以及直到无限的元件或特征。类似地,跟在附图标记之后的字母是为了指示特征或元件的实施方式,其可以与之前描述过的具有相同的附图标记的元件或特征是类似的,但是不必是相同的(例如100,100a,100b,等等)。这样的速记符合仅仅被用于清楚和方便的目的,并且不应当被解释为以任何方式限制此发明构思,除非有相反的特别声明。The symbols "a-n" added to reference numerals as used herein are for convenience of shorthand only to indicate one, or more than one, and up to an infinite number of elements or features identified by a respective reference numeral (eg 100a-n) . Similarly, letters following a reference number are intended to indicate the implementation of a feature or element, which may be similar, but not necessarily identical, to a previously described element or feature having the same reference number (eg, 100 , 100a, 100b, etc.). Such shorthand notations are used for clarity and convenience only and should not be construed as limiting the inventive concept in any way unless specifically stated to the contrary.
进一步,除非有相反的特别声明,“或”指的是包括性的或、而不是排除性的或。例如,条件A或B通过下面的任何一个满足:A为真(或存在)和B为假(或不存在),A为假(或不存在)和B为真(或存在),以及A和B均是真(或存在)。Further, unless specifically stated to the contrary, "or" means an inclusive or, not an exclusive or. For example, the condition A or B is satisfied by any of the following: A is true (or exists) and B is false (or does not exist), A is false (or does not exist) and B is true (or exists), and A and Both B are true (or exist).
另外,“一”或“一个”的使用被用于描述本文中的实施方式的元件和组件。这样做仅仅为了方便,并且给出发明构思的一般含义。这样的描述应当被解读为包括一个或至少一个以及单数也包括复数,除非其表示其他的意思是显而易见的。Additionally, the use of "a" or "an" is used to describe elements and components of the embodiments herein. This is done merely for convenience and to give a general sense of the inventive concept. Such description should be read to include one or at least one and the singular also includes the plural unless it is obvious that it means otherwise.
最后,如本文中所用的任意引用的“一个实施方式”或“实施方式”,其指的是所描述的与实施方式有关的特定的元件、特征、结构、或特性被包括在至少一个实施方式中。在说明书的不同的位置出现的短语“在一个实施方式中”并不一定都是指同一实施方式。Finally, any reference to "one embodiment" or "an embodiment" as used herein means that a particular element, feature, structure, or characteristic described in relation to an embodiment is included in at least one embodiment middle. The appearances of the phrase "in one embodiment" in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment.
现在参考图1,根据本文中公开的发明构思的设备100的示例性实施方式被示出。设备100包括通过差动空气质量交换器102连接的两个单元101a和101b。每个单元101包括外部箱104、分隔舱106、内部提升管108、以及连接到液压俘获系统112的外部提升管110。如下文中描述的,外部箱104至少部分地填充有液体114。Referring now to FIG. 1 , an exemplary embodiment of a
两个单元101a和101b在结构和功能上大体相同。因此,本文中仅仅单元101将被详细地描述。The two
现在参考图2-3B,外部箱104可以是任何能够容纳液体114,例如水或其他的适当的液体114的外部箱104。外部箱104可以为任何适当的尺寸和形状,但是被示出为大体上圆柱体形状,并且具有开放端、大体上平坦的水平底部116、以及大体上垂直延伸的圆柱形箱壁118。在一些实施方式中,箱壁118可以包括不止一个部分,例如,如第一箱壁部分118a和第二箱壁部分118b。例如,外部箱104由钢或者其他的具有足够强度和耐用性的不锈材料制成。外部箱104可以包括盖(未示出)以保护单元101和外部箱104内的液体114远离环境因素。盖可以是可锁定的,以防止未经授权而进入外部箱104的内部。另外,外部箱104可以包括绝缘、加热和/或冷却装置,例如排泄阀和填充阀。Referring now to FIGS. 2-3B , the
外部箱104可以是静止的,或者固定在活动平台(未示出)上,例如陆基的运载工具、水基的运载工具或空基的运载工具。根据外部箱104所处地点的环境因素,以及外部箱104和设备100的材料的选择,容纳在外部箱104的液体114可以是任何液体114,如自来水、蒸馏水、海水、湖水、矿物油、机油、以及它们的组合物,并且可以包括任何数目的化学添加剂如盐和/或pH缓冲剂。在非限制性的实施方式中,外部箱104中使用的液体114在面对极低的温度时可以包括不同比例的乙二醇、水和乙二醇,或其它的防冻剂,以防止液体114冻结。另外,例如,外部箱104内的液体114可以由杀菌剂和/或其它的化学或生物制剂处理以防止不希望的有机体生长。The
应当理解的是,例如,容纳两个单元101a和101b的两个外部箱104a和104b可以具有不同的形状和尺寸,可以由不同的材料制造,并且可以容纳不同的液体。两个外部箱104a和104b可能,或者可能不,彼此流体连通。It should be understood that, for example, the two outer tanks 104a and 104b housing the two
外部箱104具有至少两个从其底部116大体上垂直延伸的圆柱状环壁-外部环壁120和内部环壁122。外部环壁120和内部环壁122从外部箱104的底部116大体上垂直延伸,并且大体上彼此平行。如在本文中使用的,术语″大体上″是用来包括一些轻微的偏差,例如,如由于制造公差、磨损、压力弯曲、以及它们的结合。The
外部环壁120从底部116延伸到第一高度,内部环壁122从底部116延伸到第二高度。第一高度低于外部箱104的高度,以使得液体114自由地移过外部环壁120的顶部。第二高度可以低于第一高度,并且低于外部箱104的高度,以使得液体114自由地流过内部环壁122的顶部。在一些示例性实施方式中,外部环壁120的第一高度和内部环壁122的第二高度可以彼此相等或大体上相等,而在其他的实施方式中,第二高度可以高于第一高度。外部环壁120和内部环壁122通过一距离分离,如大约1英寸的距离,并且与箱壁118配合以限定两个大体上圆柱状的同心的环形空间-外部环壁120和箱壁118之间的第一环形空间124,以及外部环壁120和内部环壁122之间的第二环形空间126。内部环壁122进一步与底部116配合以限定在内部环壁122内的圆柱状空间128。然而,应当理解的是,外部环壁120和内部环壁122可以间隔大于或小于1英寸的距离,并且可以限定任何其他适当的同心的形状,这是本领域技术人员可根据本发明的教导理解的。The
外部箱104设置有空气管道130,所述空气管道130大体上垂直延伸穿过外部箱104底部116的中心。空气管道130为大体上圆柱状形状,并且包括阀132,或其他装置以选择性地关闭和打开空气管道130从而允许空气和/或液体114的通道穿过空气管道130。空气管道130大体上平行于内部环壁122延伸,并且被配置在由内部环壁122限定的圆柱状空间128内。空气管道130延伸到至少与内部环壁122相同的高度,但是应当理解的是,空气管道130可以延伸到不同的高度;例如,包括比内部环壁122的高度更高或更低的高度。阀132可以是任何常规的阀132,例如,如球阀、单向阀、手动阀、以及它们的组合。空气管道可以进一步包括通路阀148,其可以被用于排空空气或将空气注入到空气管道130中。The
外部环壁120、内部环壁122、以及空气管道130可以由任何适当的材料制造,并且可以由与外部箱104相同的材料制造。外部环壁120、内部环壁122、以及空气管道130可以通过任何适当的方法连接到外部箱104的底部116,例如,如焊接、螺接、铆接或胶粘、以及它们的组合。另外,外部环壁120、内部环壁122、空气管道130、以及外部箱104可以通过本领域已知的方法一体形成。应当理解的是,根据本文中公开的发明构思,任何数目的具有可变高度的环壁和空气管道可以被使用,例如,如一个、三个、四个、五个、六个或更多。Outer
现在参考图4A-5C,分隔舱106大体上为圆柱状的形状,具有封闭的顶端134,封闭的底端136、以及圆柱状的壁138,该壁至少部分地延伸到封闭的底端136的下方以限定大体上圆柱状的位移腔140。分隔舱106的封闭的顶端134、封闭的底端136、以及大体上圆柱状的壁138配合以限定封闭腔142,封闭腔142填充有气体,并且是密封和加压的,以防止封闭腔142由于液体114的外部压力而塌缩。封闭腔142限定圆柱状凹口146,如下文中描述的,该凹口适合于在其中接纳空气管道130。Referring now to FIGS. 4A-5C , the
分隔舱106适合于配置在由内部环壁122限定的圆柱状空间128内。分隔舱106适合于被降低或浸没到外部箱104中,使得分隔舱106至少部分地配置在由内部环壁122限定的圆柱状空间128内,并且在相对于内部环壁122和外部箱104的大体上垂直的方向是可移动的。壁138通过第一环形间隙139从内部环壁122分离。封闭的顶端134可以选择性地具有缓冲垫135(图14),其作用为当如下文中描述的分隔抢106与内部提升管108接触时,缓冲冲击和分配压力。根据需要,缓冲垫135可以连接到分隔舱106,或者可以是不连接的。The
分隔抢106的尺寸可以根据设备100的输出需求而改变。注入到分隔舱106的容积或空气以及分隔抢106的结构完整性与涉及每个设备100的压力的安全参数相匹配。分隔舱106是内加压的以抵销内裂的可能性,例如,如通过经由阀144将加压的流体注入到封闭腔142中。通过焊接在分隔舱106的顶部上的帽(未示出),以及在底部但是位于位移腔140的壁的上方的密封帽,一定量的加压气体可以被密封进入封闭腔142中。位移腔140的长度根据分隔舱106的计划工作循环而改变。位移腔140的长度与容积和行程长度直接相关。The size of the
分隔舱106可以由具有要求的结构强度和重量的任何适当的材料制造,例如,如不锈钢、聚碳酸酯、塑料、玻璃纤维、环氧树脂、以及铝。The
分隔舱的作用106为:(a)提供提升力;(b)在其上行行程中跟随内部提升管108;(c)填充分隔舱106和内部提升管108之间的上部空气间隙;(d)支持预填充功能;(e)在设备的行程过程中保持预填充;(f)在循环过程中消除对附加间隙空气的需求;(g)作用为开放的腔,其中压缩空气能够替代液体114;(h)作用为压缩液体114可以替代空气的腔;(i)分隔抢106的具体的尺寸确定了行程长度和内部提升管108的构造。分隔抢106的最显著的功能是增加提升力以及将环壁间隙和环壁压头维持在单元101内。The
应当理解的是,位移腔140可以选择性地被安置在单元101外侧,或者甚至在单元101下方,或者可选择的,两个位移腔可以被使用,只要外部箱104b中的液体114的液位与外部箱104a中的液体114的液位为相同的高度。可选择的,位移腔140可以独立于分隔抢106安装,并且可以在外部箱104旁边,或者在外部箱104下方被连接到或者(伴随着底板水平的开口)焊接到内部底板(未示出)。这两种布置方式均可以与根据本文中公开的发明构思构造的设备100一起工作。It should be understood that the
连接到底板的位移腔140可以被用于两级设备100(具有两个单元101),两种布置方式均可以在四级设备100中同时使用以在两个阶段循环每个单元101并且使行程长度翻倍。带有连接到分隔抢106的位移腔140的行程的成本为大约三英尺的压差损失。带有连接到底板的位移腔140的行程的成本大约小于其一半,或者为大约一又二分之一英尺的压差。通过具有在外部箱104下方的更宽、更短的位移腔140,输入成本可以进一步地减少(它可以减少作为操作成本的压差损失)。A
分隔抢的封闭腔142限定其中的圆柱状凹口146,空气管道130被至少部分地配置圆柱状凹口146中。空气管道130作为到位移腔140的主要入口,并且起到从位移腔140填充和排泄空气而不使得液体114进入到空气管道130的作用。空气管道130可以被设定尺寸,使得它比分隔舱106的高度更短,以便当分隔抢106完全下降或浸没到外部箱104中时,在空气管道130的顶部和圆柱状凹口146的顶部之间允许保留小的间隙。空气管道130可以被进一步设定尺寸,使得它装配在封闭腔142的圆柱状凹口146的内部而不与分隔抢106接触。应当理解的是,例如,在一些实施方式中,空气管道130可以与分隔舱106接触,使得分隔抢106可以抵靠到空气管道130上。空气管道130与差动空气质量交换器102流体地连接,并且具有用于如下文描述的在设备100的预填充过程中注入压缩空气的主断流阀132和通路阀148(图14)。The
现在参考图6,内部提升管108为大体上圆柱状的形状,并且具有开放的下端150、封闭的上端152、圆柱状的壁154,并限定圆柱状空间156。内部提升管108的封闭的上端152在以下可以被简称为提升管表面面积。内部提升管108首先利用其开放的下端150插入到外部箱104中,并且其圆柱状的壁154被设定尺寸以装配在内部环壁122和外部环壁120之间的第二环形空间126中,使得环形间隙158将内部提升管108从外部环壁120分离,并且环形间隙160将内部环壁122从内部提升管108分离。环形间隙158和环形间隙160可以至少部分地填充液体114和/或空气。内部提升管108大体上平行于内部环壁122和外部环壁120,但是不与外部环壁120和内部环壁122接触,除了当内部提升管108完全浸没在外部箱104的内部时,内部提升管108可以设定或抵靠到内部环壁122的顶部。内部提升管108配置在外部箱104中,使得封闭的上端152与分隔舱106的顶部134接触。Referring now to FIG. 6 , the
内部提升管108大体上是中空的,并且至少部分地填充液体114和/或空气。内部提升管108可以通过例如至少一个排气口162,或者通过本领域中已知的任何其他适当的方法与外部提升管110气体和/或液体连通。内部提升管108容纳分隔舱106。The
内部提升管108可以由具有要求的结构强度和重量的任何适当的材料制造,例如,如不锈钢、聚碳酸酯、塑料、玻璃纤维、环氧树脂、以及铝。内部提升管108在相对于外部环壁120、内部环壁122和外部箱104大体上垂直的方向是可移动的。将内部提升管108从外部环壁120和内部环壁122分离的液体114的多个环形柱共同施加力到内部提升管108,以稳定其大体上的垂直运动。外部环壁120、内部环壁122以及内部提升管108的每一侧通过紧靠它的空气或液体114增压,内部压力保持得比外部压力稍高,并且材料已经被理想地设计为能承受弯折、压碎、以及爆裂。The
内部提升管108的作用是(a)提供提升力;(b)用作压头延伸器或倍加器;(c)用作压头消除器;(d)将压差转换为提升力;(e)与分隔舱106和外部环壁120和内部环壁122一起工作以加倍差动交换;(f)沉没单元101;(g)漂浮单元101。The role of the
现在参考图7-8B,外部提升管110的示例性实施方式被示出为大体上圆柱状形状。外部提升管110具有圆柱状的壁170、开放的下端172、封闭的上端174,并且限定下部圆柱状空间176。Referring now to FIGS. 7-8B , an exemplary embodiment of an
外部提升管110的封闭的上端174具有顶表面178和底表面180。壁170在封闭的上端174上方部分地延伸以限定压头延伸器182。The closed
外部提升管110首先利用其开放的下端172插入到外部箱104中,并且被设定尺寸使得外部提升管110的壁170部分地配置在外部环壁120和箱壁118之间的第一环形空间124中。开放的下端172的直径比外部环壁120的直径大,但是比外部箱104的直径小,使得当外部提升管110插入到外部箱104中时,环形间隙184将外部环壁120从外部提升管110的壁170分离。环形间隙184可以至少部分地填充液体114和/或空气。同时,环形间隙186将壁170从箱壁118分离。环形间隙186可以至少部分地填充液体114和/或空气。The
为了将外部提升管110浸没在外部箱104中,排气口188用于将空气从外部提升管110的封闭的上端174内排出到大气中。此排气口188在初始阶段暂时开启,并且在设备100的操作过程中保持关闭。外部提升管110的壁170在外部提升管110插入到外部箱104中时被定位为平行于外部环壁120。To submerge the
当外部提升管110完全浸没在外部箱104中时,外部提升管110的壁170在外部箱104中的液体114表面上方延伸,以保持压头延伸器182大体上在液体114之外,并且以延伸围绕外部提升管110的压头。When the
当外部提升管110完全浸没在外部箱104内时,下部圆柱状空间176的底表面180设定(或抵靠)在外部环壁120的顶部上。当外部提升管110插入到外部箱104中时,下部圆柱状空间176围绕外部环壁120和内部环壁122,并且容纳分隔舱106和内部提升管108。下部圆柱状空间176至少部分地填充液体114和/或空气。下部圆柱状空间176通过例如排气口188、或通过任何其他本领域中已知的适当的方式与压头延伸器182气体和/或液体连通。The
外部提升管110可以由具有要求的结构强度和重量的任何适当的材料制造,例如,如不锈钢、聚碳酸酯、塑料、玻璃纤维、环氧树脂、以及铝。外部提升管110在相对于外部箱104和外部环壁120的大体上垂直的方向是可移动的。部分地填充位于外部提升管110和外部环壁120之间的环形间隙184的液体114,和在环形间隙186内的将外部提升管110和箱壁118分离的环形液柱,共同地将力施加在外部提升管110上以保持它大体上垂直地移动。为了简便起见,这些过程以下简称为“液压一气动动态中心调整”或“动态中心调整”。另外,外部提升管110的运动可以通过安装在限定了外部提升管110的下部圆柱状空间176的外部环壁120和内部环壁122和壁170上的磨损导向体(未示出)保持大体上垂直。进一步,在一些示例性的实施方式中,一个或多个重物可以放置到,或以其他方式连接到外部提升管110以有助于浸没单元101。The
现在参考图9A-10C,示出了其中外部提升管110a的示例性实施方式。外部提升管110a包括下部190,其上连接有圆柱状的压头延伸器192。下部190为大体上圆柱状的形状,并具有圆柱状的壁194,开放的下端196,凹形的封闭的上端198,并且限定了下部圆柱状空间200。外部提升管110a首先利用其开放的下端196被插入到外部箱104中,并且被设定尺寸使得外部提升管110部分地配置在外部环壁120和箱壁118之间的第一环形空间124中。开放的下端196的直径比外部环壁120的直径大,使得当外部提升管110a插入到外部箱104中时,环形间隙将外部环壁120从壁194分离。环形间隙可以至少部分地填充液体114和/或空气。同时,开放的下端196的直径比外部箱104的直径小,使得环形间隙将外部箱104的箱壁118和外部提升管110a的壁194分离。为了淹没外部提升管110a,排气口202被用于将空气从封闭的上端198内排出到大气中。此排气口202在初始阶段暂时开启,并且在设备100的操作过程中保持关闭。壁194在外部提升管110a插入到外部箱104中时被定位为平行于外部环壁120。封闭的上端198具有顶表面204和底表面206。Referring now to FIGS. 9A-10C , an exemplary embodiment in which an
压头延伸器192包括壁208,当外部提升管110a插入到外部箱104中时,其在外部箱104中的液体114的表面上方延伸,以保持压头延伸器大体上在液体之外,并且以延伸围绕外部提升管110的压头。压头延伸器192可以以任何适当的方式连接到下部190,例如,如通过利用法兰(未涉及)、焊点、接缝、接头、螺栓、粘合剂、以及它门的组合。The
当外部提升管110a完全浸没在外部箱104内时,下部圆柱犬空间200的底表面206可以设定(或抵靠)在外部环壁120的顶部上。当外部提升管110a插入到外部箱104中时,下部圆柱状空间200围绕外部环壁120和内部环壁122,并且容纳分隔舱106和内部提升管108。下部圆柱状空间200至少部分地填充液体114和/或空气。下部圆柱状空间200通过例如排气口202、或通过任何其他本领域中已知的适当的方式与压头延伸器192气体和/或液体连通。The
例如,外部提升管110a可以类似于外部提升管110地实施。外部提升管110a在相对于外部箱104和外部环壁120的大体上垂直的方向是可移动的。部分地填充位于外部提升管110a和外部环壁120之间的第一环形空间124的液体114,和将外部提升管110a和箱壁118分离的环形液柱共同地将力施加在外部提升管110a上以保持它大体上垂直地移动。For example,
现在参考图11,液压俘获系统112包括液压俘获缸210、与液压俘获缸210流体连通的液压蓄能器212、以及断流阀214。Referring now to FIG. 11 ,
液压俘获缸210被连接到外部提升管110,或与外部提升管110相连,并且与液压蓄能器212流体连通。当设备100的提升压力超过在液压蓄能器212设定的最小压力时,液压俘获缸210移动设备100的外部提升管110,并且泵送加压的液压流体到液压蓄能器212中。当超过最小压力时,如下文描述的,液压流体在压力之下被存储到液压蓄能器212中,直到其被消耗。A
断流阀214可以被操作以锁定、或防止液压俘获缸210移动,从而在单元101设定的预填充阶段中也防止外部提升管110移动。Shut-off
液压发电机(未示出)的选择性的液压马达可以流体地连接到液压蓄能器212,并且可以通过利用来自液压蓄能器212的加压液压流体产生机械能或电能。An optional hydraulic motor of a hydraulic generator (not shown) may be fluidly connected to
现在参考图12,根据本文中公开的发明构思的差动空气质量交换器102包括与空气管道130流体连通的一个或多个缸216,与液压蓄能器212流体连通的液压辅助器218。Referring now to FIG. 12 , a differential
差动空气质量交换器102可以具有以这样的方式布置的一个或多个缸216,以分离相同规模的空气量,并且允许压力存在于缸216的两侧。缸216通过空气管道130流体地连接到分隔舱106,并且在第一位置和第二位置之间是可移动的以通过强制位移腔140内的一定量的空气穿过空气管道130从位移腔140转移一定量的液体114。缸216进一步连接到致动器杆220,使得当缸216在第一位置和第二位置之间移动时,致动器杆220随之移动。The differential
例如,液压辅助器218可以被实现为液压活塞,或者任何其他适当的方式。液压辅助器218与液压蓄能器212流体连通,并且如下文描述的,被设定尺寸以提供足够的能量给差动空气质量交换器102。液压辅助器218被连接到致动器杆220,并且能够选择性地将力施加到致动器杆220,使得液压辅助器218可以有助于缸216在第一位置和第二位置之间移动。被液压辅助器218使用的力由液压蓄能器212接收的加压液压流体提供。液压辅助器218移动致动器杆220,其反过来有助于差动空气质量交换器102的动作。For example,
现在参考图13,其中示出了差动空气质量交换器102a的实施方式。差动空气质量交换器102a能够类似于气体质量交换器102地实施,并且包括与空气管道130流体连通的一个或多个缸216a,与液压蓄能器212流体连通的液压辅助器218a,致动器杆220a以及配重物222。Referring now to FIG. 13, an embodiment of a differential
差动空气质量交换器102a可以具有以这样的方式布置的一个或多个缸216,以分离相同规模的空气量,并且允许压力存在于缸216a的两侧。缸216a通过空气管道130流体地连接到分隔舱106,并且在第—位置和第二位置之间是可移动的以通过强制位移腔140内的一定量的空气穿过空气管道130从位移腔140转移一定量的液体114。缸216a进一步连接到致动器杆220a,使得当缸216a在第一位置和第二位置之间移动时,致动器杆220a随之移动。The differential
液压辅助器218a可以被实现为液压活塞,或者任何其他适合的方式。液压辅助器218a与液压蓄能器212流体连通,并且如下文描述的,被设定尺寸以提供足够的能量给差动空气质量交换器102a。液压辅助器218a被连接到致动器杆220a,并且能够选择性地将力施加到致动器杆220a,使得液压辅助器218a可以有助于缸216a在第一位置和第二位置之间移动。被液压辅助器218a使用的力由液压蓄能器212接收的加压液压流体提供。液压辅助器218a移动致动器杆220a,其反过来有助于差动空气质量交换器102a的动作。致动器杆220a具有连接到其上的配重物222,配重物222被用于调节交换以及在到达缸216a的第一位置和第二位置之间的中点之后协助交换。
来自下降单元101的初始能量在交换开始时大于需求,在中点相等,并且下降直到达到该压差。配重物222使得俘获初始的多余能量成为可能,并且然后利用配重物222以在能量下降的过程中协助差动空气质量交换器102。通过使用来自液压蓄能器212的加压液压流体,液压辅助器218a被用于补偿压差损耗。当附加的工作被增加到差动空气质量交换器102的一侧时,差动空气质量交换器102a可以连接到至少两个单元101a和101b;缸216在相反的方向移动。附加的工作能够被直接地或机械地提供。差动空气质量交换器102被用于控制预填充的速度以及设备100的循环/行程。The initial energy from the
通过对液压辅助器218的流量控制的使用,例如,如液压断流阀214(图11)或其它的阀,如单向阀,或流量控制阀,以及它们的组合,差动空气质量交换器102的运动被调节。这使得调节单元101a和单元101b之间的空气交换速度成为可能。通过响应与在给定的压力下液压流体的产生相关的外部提升管10的持续提升力来测量交换的速率。Through the use of flow control to
设备100的单元101的运动或操作通过液压输入需求调节。此液压输入被获得并且被保持的速度是通过控制差动空气质量交换器102的流量来控制的。差动空气质量交换器102使用三个力来操作-施加到缸216的来自下降单元101的废气,配重物222的动作,以及通过液压辅助器218施加到致动器杆220上的力。来自单元101a的废气是在压力下的,并且它被引导到差动空气质量交换器102,其反过来有助于克服单元101b的位移腔140的压力需求。The movement or operation of the
用于差动空气质量交换器102的锁定机构是缸216的断流阀224。为了消除差动空气质量交换器102移动的可能性,空气被从差动气体交换器102的缸216排出到大气中。在从差动空气质量交换器102的缸216排出空气之后,设备100的完全重置/设置将被要求。The locking mechanism for the differential
组装、浸没和预填充设备100工艺流程将仅仅参考单个单元101解释。应当理解的是,相同的工艺流程重复用于设备100的单元101a和单元101b。有关差动空气质量交换器102的设置将在下文中被详细描述。The assembly, immersion and
现在参考图14-17,单元101通过首先用液体114填充外部箱104组装,使得液体114的液位高于外部环壁120、内部环壁122、第一环形空间124、第二环形空间126、以及圆柱状空间128的高度。第一环形空间124、第二环形空间126、以及圆柱状空间128大体上完全用液体114填充。使用的液体114的量将随着设备100和外部箱104的尺寸改变。当两个外部箱104a和104b被使用时,这两者都应当如描述的用液体114填充,并且差动空气质量交换器102应当流体地连接到两个外部箱104a和104b的空气管道130。Referring now to FIGS. 14-17 ,
接下来,分隔舱106浸没在由内部环壁122限定的圆柱状空间128内。任何保存在位移腔140中的空气通过选择性地开启空气管道130的通路阀148排出,以便移除分隔舱106的正浮力,并且允许分隔舱106被完全地浸没,使得分隔舱106的位移腔140抵靠到外部箱104的底部116上。足够的空气被排出位移腔140以使得分隔舱106至少在该阶段平衡浮力。Next, the
一旦分隔舱106被完全地浸没,内部提升管108首先利用其开放的下端插入到外部箱104中。内部提升管108浸没,使得它部分地配置于限定在内部环壁122和外部环壁120之间的第二环形空间126中。内部提升管108下降到外部箱104内直到内部提升管108如上所述地抵靠到内部环壁122的顶部。例如,任意俘获在内部提升管108内的空气通过暂时开启排气口162可以被排出。一旦内部提升管108完全地浸没,排气口162被关闭,并且在设备100的操作中始终保持关闭。Once the
接下来,外部提升管110首先利用其开放的下端196浸没在外部箱104内,使得外部提升管110部分地配置在位于外部环壁120和箱壁118之间的第一环形空间124中。任何俘获在外部提升管110内的空气通过排气口188排出。外部提升管110下降到外部箱104内,直到它抵靠到外部环壁120的顶部。—旦外部提升管110完全地浸没,排气口188被关闭,并且在设备100的操作中其始终保持关闭。Next, the
外部箱104内的液体114的液位可以在此时调整以保证外部提升管110的压头延伸器182大体上保持在液体之外。应当理解的是,设备100的预填充将导致外部箱104内的液体114的液位上升,因此液体114的液位和压头延伸器182的顶部之间的足够的间隙应当被保持。The level of
在图14中示出的初始阶段,单元101完全地浸没,并且至少为平衡浮力,但是也可以是负浮力。分隔舱106、内部提升管108、外部提升管110、外部环壁120、内部环壁122、以及外部箱104限定一系列互相连接的隔间,如下文中描述的,其大体上形成螺旋形状的流道。由设备100的—部分限定的各个隔间在此阶段大体上充满液体114,然而应当了解的是,一定量的空气可以存在于至少一个、超过一个或者所有的各个隔间中。应当进一步地了解的是,一些空气通常存在于封闭腔142的圆柱状凹口146内以保证没有液体114进入到空气管道130和/或差动空气质量交换器102。In the initial stage shown in Figure 14, the
单元101现在准备被预填充。在预填充过程中,通过如上所述的操作液压系统断流阀214,单元101被阻止向上移动。
在此阶段,压缩空气,或者其他适当的气体,通过通路阀148被注入到位移腔140内。例如,压缩空气可以从空气压缩机(未示出)供给。阀132可以在该阶段被关闭以防止压缩空气到达差动空气质量交换器102。此时,分隔舱106开始提升,并且开始弥合分隔舱106的顶部和内部提升管108之间的间隙,最佳地示出在图15中。由于空气压力建立在位移腔140内,一定量的液体114被从位移腔140推出。这反过来强制液体114向上到分离分隔舱106和内部环壁122的第一环形间隙139内,液体114通过向下流动穿过分离内部提升管108和内部环壁122的环形间隙160被进一步强制移动穿过连续的隔间,向上穿过分离内部提升管108和外部环壁120的环形间隙158,再次向下穿过分离外部环壁120和外部提升管110的环形间隙184,并且最后向上穿过分离外部提升管110和箱壁118的环形间隙186。这导致外部箱104内的液体114的液位逐渐地升高,因此该液位应当被监控以保证压头延伸器182大体上保持在液体之外。At this stage, compressed air, or other suitable gas, is injected into the
空气在预填充工艺中始终被连续地注入。最佳地示出在图16-18中,当位移腔140完全地或几乎完全地用空气填充并且大体上内部所有的液体114已经被强制排出时,由于在液体114内的空气的浮力,气泡开始向上升起到分离分隔舱106和内部提升管108的环形间隙160中。气泡在内部提升管108的开放的下端150被俘获。这导致液体114被推出内部提升管108的开放的下端150。液体114被强制向下移动穿过分离内部环壁122和内部提升管108的环形间隙158,因为在位移腔140内的压力以及在分隔内部提升管108和内部环壁122的环形间隙160中产生的压力高于在分离内部环壁122和内部提升管108的环形间隙158中的压力。液体114类似地流过剩余的隔间,并且最终被强制进入外部箱104中。Air is injected continuously throughout the prefill process. As best shown in FIGS. 16-18, when the
当分离内部环壁122和内部提升管108的环形间隙160大体上充满压缩空气的时候,液体114被逐渐地推出内部提升管108。一旦压缩空气柱到达内部提升管108的壁154的端部,气泡开始向上升起穿过分离内部提升管108和外部环壁120的环形间隙158。气泡被俘获在外部提升管110的开放的下端172内。气压的建立强制液体114流出外部提升管110,该液体114向下移动穿过分离外部提升管110和外部环壁120的环形间隙,并且然后向上穿过分离外部提升管110和箱壁118的环形间隙186。该过程持续直到大体上所有的液体114被强制排出分离外部环壁120和外部提升管110的环形间隙184。
—旦压缩空气柱到达开放的下端172的壁170的端部时,气泡开始升起到外部提升管110的侧面以及外部箱104内。设备100现在预填充,并且准备开始其上行行程。空气注入终止。开启液压断流阀214,并且使得单元101向上移动,这所有—切是需要的以启动和维持上行行程。Once the column of compressed air reaches the end of the
填充位移腔140移动一定量的液体114-其反过来系统地移动在每个外部环壁120、内部环壁122、以及内部提升管108和外部提升管110之间的分离的空气量和分离的液体114量,以同时产生在一侧″压头″以及在内部提升管108和外部提升管110的表面的不等的压力(转变为提升力)。The
预填充过程导致配置在分离分隔舱106和内部环壁122、内部环壁122和内部提升管108、内部提升管108和外部环壁120、外部环壁120和外部提升管110、以及外部提升管110和箱壁118的环形间隙内的空气和液柱(或压头)的交替。这起到了产生交替的正浮力和负浮力的作用。外部环壁120、内部环壁122、内部提升管108、以及外部提升管110的组合能够叠加以积聚在多个表面上的初始压差,导致更大的提升力而不需增加输入成本。由于压头,当层数增加时压力增加,该施加给每单元表面面积的有益的力保持恒定。如在12英尺液柱(或压头)中,将导致5.2磅×内部提升管108或外部提升管110的表面,并且附加层将增加内部压头到10.4,但是在内部中消耗的力仍然是5.2磅乘以内表面,因为下一层将具有5.2磅的反向力,并且然后第二提升管将受益于该5.2磅的力,其转换为多倍的提升力。应当理解的是,分隔舱/环壁/提升管组合被设计为控制两个或更多的分离的压头压力,存在的压头压力作用在内表面上并且产生提升力。从外部提升管110朝向内部提升管108测量,每个压头压力被增加到下一个上,并且因此在连续的液柱之间俘获的空气处于比上一压力更大的压力下,俘获在液柱之间的每个空气量具有与在先的液柱的压力积聚直接相关的压力。The pre-filling process results in configurations between the
在每个空气柱中的压力与前述液柱和气柱的压力结合。此压力的增加与前述液柱压力加前述气柱压力直接相关。The pressure in each air column is combined with the pressure of the preceding liquid and air columns. This pressure increase is directly related to the aforementioned liquid column pressure plus the aforementioned gas column pressure.
举例来说,以12英尺的液柱高度,或5.2磅/平方英寸(psi),压力从一侧到另一侧将净获5.2磅/平方英寸(psi)压差(具有保持在系统内侧的更大的压力)。一侧可以具有10.4磅/平方英寸(psi),并且内部将具有15.6,导致实现了5.2磅/平方英寸(psi)的压力。这在单元101中始终持续,随着每个压头的增加而增大。压力在所有点上是平衡的,并且有助于强制环壁和提升管彼此远离,因为环壁比施加的力更强,该力作用使得提升管动态地自我居中。设备100的设计俘获了在不等的压力之间的势能。因而,在其上带有15磅/平方英寸(psi)的向下推力的提升管将具有20磅/平方英寸(psi)的向上的推力,对于单独的表面合力为具有5磅/平方英寸(psi)的向上力。For example, with a liquid column height of 12 feet, or 5.2 psi, the pressure will net a 5.2 psi differential from one side to the other (with greater pressure). One side could have 10.4 psi and the inside would have 15.6, resulting in a pressure of 5.2 psi. This continues throughout the
当液柱的长度设计为一致时,压差将正好保持为一致的和可预期的。因为此转换的液柱压力大于在内部提升管108的相反侧的或顶侧的压力,可测量的和可预期的提升力被产生。When the length of the liquid column is designed to be consistent, the differential pressure will remain exactly consistent and predictable. Because this converted liquid column pressure is greater than the pressure on the opposite or top side of the
在提升管叠加时,提升管的尺寸以及表面面积增大,这增加了由压差影响的整体表面面积。在分隔舱106的侧面上的空气量被设定尺寸以足够填充在内部环壁122和内部提升管108之间的环形间隙160,但是当液位增加和压力增加时,附加的量可以通过使得各个连续的环壁比之前的高大约两英寸来补偿。这将起到为间隙空气需求补偿的作用,并且在浸没操作中允许液柱的更大的降幅。该需求与提升管和环壁增加的数量直接相关-具有更少层的更大的单元101比具有更多层的更小的单元101更有效率。As the risers are stacked, the size and surface area of the riser increases, which increases the overall surface area affected by the pressure differential. The volume of air on the sides of the
分隔舱106、外部环壁120和内部环壁122、以及内部提升管108和外部提升管110的组合设计为自然地沉没,即,具有至少中立的或稍微的负浮力,除非并且直到位移腔140开始接收空气。实质上,沉没单元101不需要做什么。仅仅被需要的工作是使得单元101上升。从分隔舱106中实现的提升力与在内部提升管108和外部提升管110的表面上的多倍力成比例。由于与液体114的相对位置,该设计基本上使得操作的可逆性以预填充和之后的反填充为代价。当达到预定的提升时,只要允许分隔舱106和内部提升管108上升,则在系统中的空气和液体114通过差动空气质量交换器102向后移动并且形成要塞(fort)。The combination of the
为了前面的描述清晰的目的,在提升管中发生的空气膨胀没有被考虑。实际上,液柱高度的连续性将被以级联率(cascading rate)降低-对于与分隔舱106最近的第一压头每个行程损失一英寸一第二压头的每个行程损失两英寸,对于第四压头损失三英寸。每个空气间隙的总量的大约12%的空气的自然膨胀大大地减少该级联损失。位移腔140被计算为以14英寸到1英寸的行程比率转移液体114;强制进入位移腔140中的每英寸的空气,不考虑压差,将导致14英寸的压头。实际上,初始的预填充是用于压缩间隙空气,其在提升过程中依次膨胀。压差(提升压力)仅仅受到总的实现的压头损失的影响。空气膨胀仅仅在压头实际损失的点影响提升力。当连续的环壁和提升管增加时,需要填充环壁和提升管的空气将由于增大的直径而增多。这能够通过连续地减小间隙来补偿以保持该容积压力相等。For the sake of clarity of the foregoing description, the expansion of air that occurs in the riser has not been considered. In effect, the continuity of the liquid column height will be reduced at a cascading rate - one inch per stroke for the first head closest to compartment 106 - two inches per stroke for the second head , for a fourth head loss of three inches. The natural expansion of air of approximately 12% of the volume of each air gap greatly reduces this cascading loss. The
间隙的减小能够直到无穷,但是存在有效应用的比率以满足尺寸的要求。不可能无限地增加环壁和提升管,因此在开始时设定分隔舱106、位移腔140、外部环壁120、内部环壁122、以及内部提升管108和外部提升管110的尺寸是更有效的途径。The reduction of the gap can go to infinity, but there are effectively applied ratios to meet the size requirements. It is not possible to add ring walls and risers infinitely, so it is more efficient to initially size the
在单元101下降过程中,单元101内的空气保持加压。执行的输入工作是用于产生液柱高度差;俘获的工作是初始输入工作的副效应。设备100被设计为能够廉价地产生液柱高度差,并且是在大气压力下操作。通过内部提升管108和外部提升管110的表面面积俘获提升的工作是二级的,并且基本上是自由的。During the descent of
反向运行该工艺流程,使排出单元101的压力保持与输入的压力几乎相同-这就是为什么排出的压力能够用于帮助差动空气质量交换器102动作。输入的工作现在能够以与输入的比率几乎相同的比率作为输出。通过产生较大的压差,行程长度减小了输入功率;该损失就是必须克服的以实现循环。这样的副效应的独特的利用是允许本文中公开的设备100同时利用排气以有助于差动空气质量交换器102的动作,以及控制外部提升管110、内部提升管108和分隔舱106的得体的运作。Running the process in reverse keeps the
如果单元101在液体114的表面上提升,固定就位,并且然后位移腔140被排空--结果就象反转差动;几乎相等的向下的力将实现,该有效力就好像充满液体114的整个单元101被提升出液体114。它将会与提升力一样重。″通常″利用该力操作设备100以保持空气在压力下产生位移。If the
请注意,液体114的布局以及在设定程序中发现的空气仅仅是作为澄清性地的描述,并且在设备100的循环过程中不会实现(除非液压断流阀214关闭)。在通常的操作中,一旦最小液柱高度差被获得以克服由于液压俘获缸210压力需求导致的阻力,单元101将开始提升。设备100在与液柱液位高度差相同的各个位移的增量下操作。该液柱高度差解释为压力,并且该压力作用于分隔舱106和内部提升管108和外部提升管110的表面面积上以产生提升力。预填充首次提升在每个外部环壁120和内部环壁122以及内部提升管108和外部提升管110各自之间的液位,直到作为结果的液柱高度差促使所需的提升力超过液压俘获缸210的阻力。Note that the layout of the liquid 114 and the air found during the setup procedure are described for clarification only, and will not be realized during the cycle of the device 100 (unless the hydraulic shut-off
当外部提升管110开始移动时,附加的空气从差动空气质量交换器102输入到位移腔140中,保持液柱高度差和提升力。外部提升管110不能移动得快于维持的液柱高度差额。单元101的位移是计算过的,使得最小的提升力需要被维持直到行程的末端。当外部提升管110从外部箱104的底部116、或内部环壁122的基板移动远离时,曾由空气占据的空间(其是液柱压力的原因)将由已经被压入到内部环壁122外的液体114回填。As the
分隔舱106被允许以与空气注入相同的速度提升;该动作通过设定与所需压力和俘获的向上的力两者相关的液压俘获缸210(表面面积)的尺寸控制。为行程的持续维持的全力允许行程循环,以创造当上升和输入速率匹配时,在提升力中仅仅有轻微的损失的条件。当设备100达到其完全延伸位置时,在行程循环的末端,该步骤反向,在预填充和行程过程中转移液体114的压缩空气接着被用于协助差动空气质量交换器102。The
液压俘获缸210不能上升,直到液压蓄能器212的入口压力被超过。这产生了对速度和功率两者的自动控制。分隔舱106的操作是自动的-其对围绕其的液体114的提升作出反应;其被外部箱104顶部的压力中立地影响。由于液压俘获系统112被计算以在行程的过程中被设定在最小的可获得的力,一旦达到该最小的力,提升将会发生;因此,单元101的提升将在预填充实现之前发生。The
当利用两单元设备100时,首先浸没的单元101a的空气管道130上的阀132最初是关闭的,直到单元101a完全浸没以及预填充,并且第二单元101b在其完全延伸位置。接下来,预先关闭的阀132应当被小心地打开到差动空气质量交换器102;来自分隔舱106内的压力将作用于差动空气质量交换器102以使缸216朝向单元101b移动。在这样的程序中,末端警告应当被运用。When utilizing the two-
一旦第二单元101b被安全地放置,接近外部箱104b的阀132必须关闭,并且伴随着预填充第二单元101b开始的过程必须被重复。一旦外部箱104a和104b两者被适当地和同样地填充,在差动空气质量交换器102上的液压控制系统应当被啮合以限制移动。两个阀132应当被再次开启并且在该位置锁定。Once the
接下来,来自完全延伸单元101b的压力被导入到差动空气质量交换器102中,该压力作用以使差动空气质量交换器102内的缸216朝向邻近的并且充满的缸216移动。在充满的缸216内的空气被压入到升起的系统的位移腔140中;同时,差动空气质量交换器102被液压辅助器218协助。液压辅助器218接受来自液压蓄能器212的压力,并且压动致动器杆220,该致动器杆220穿过支点工作,以施加附加的压力到缸216。液压辅助器218的初始工作是超过平衡力;一旦通过中点,配重物222和缸216两者一起工作。Next, pressure from the fully
提升单元101a同时接受空气进入位移腔140,其最初填充液柱,直到提升力克服设定值,并且然后加压液压流体的产生被维持直到行程的末端。加压液压流体的产生可以通过在液压蓄能器212前方的单向阀控制。当差动空气质量交换器102到达其行程的末端时,一个机构改变液压辅助器218的方向。加压液压流体的产生是自动的,并且直接响应差动空气质量交换器102的配置。系统在每个行程的末端持续地反转。一个单元101a的下行程直接对应另一单元101b的上行程。与该系统相关的成本是通过液压辅助器218执行的工作。The
在可替换的实施方式中,外部提升管110可以选择性地连接到6英尺(延伸长度)的液压俘获缸210,其可以被固定在例如加强桁架上的系统上方。这几乎不能稳定外部提升管110,但是能够作为导向体。提升管可以每个均具有帽,那些帽通过垫片彼此间隔,并且所述垫片将表面保持在通过液柱压力作用的位置。中心锥可以与每个连续的提升管帽上的匹配凸锥焊接;这允许提升管根据需要分离,但是当匹配/提升发生时对齐它们。间隙作用以消耗在每个提升管内的空气量,并且导致剩余液柱的减少,降低其提升力到其内部提升管108的重量以下。外部提升管110被连接到液压俘获缸210;其行程通过桁架承托架和外部环壁120以及内部环壁122被限制。结构完整性设计为符合设备100的需要。In an alternative embodiment, the
来自差动空气质量交换器102的空气被连续地注入到位移腔140直到达到计算的行程。一旦达到平衡(在足够的液柱被产生以超过液压阻力的点)-这被称为″预填充″-设备100在移出平衡和接纳附加输入之间处于拉紧状态以进一步地移动。差动空气质量交换器102首先工作以产生液柱,并且然后与分隔舱106一起工作以维持需要用于行程和克服阻力两者的液柱。该设计受益于液柱和浮力,所述液柱通过液体114的移动产生,所述浮力通过相同的动作产生。注入空气转移液体114以及移动液体114-这两个动作,尽管它们听起来相同,被用于产生提升力。一旦达到平衡,没有附加的液柱被产生,因为单元101移动与在该点液柱高度的增大直接相关。当从那样的设定上升时,空气增加以获得液柱。Air from the differential
由于分隔舱106、内部提升管108和外部提升管110、以及外部环壁120和内部环壁122的独特的组合,在上行行程中,分隔舱106占用间隙,使得液柱可以廉价地存在,并且在上行行程中,液柱被维持并提升出液体。当在上行行程中到达行程末端时,液压辅助器218反向以在相反的方向上施加能量,这允许分隔舱106内的压缩空气放入到差动空气质量交换器102中。当一英寸厚度的空气被从位移腔140排出时,如果现在它不悬浮在空气中,则大约14英寸的液柱将失去;如同倒置的帽被从液体拉出-真空现在拉低每个内部提升管108和外部提升管110的各自拉低分隔舱106的表面,超过分隔舱106的提升力。Due to the unique combination of
液压辅助器218的再填充速率为流动速率,以匹配差动空气质量交换器102的速度,从而不会超过分隔舱106的速度,这将促使分隔舱106下方的液体114被吹出内部环壁122。The refill rate of the
现在参考图19,其中示出了根据本发明公开内容的单元101c的可替换的实施方式。单元101c可以类似于或不同于单元101地实施。单元101c包括连接到差动质量交换器232的外部箱230、分隔舱234、内部提升管236、连接到液压俘获部件240的外部提升管238。外部箱230至少部分地填充有液体242。Referring now to Figure 19, there is shown an alternative embodiment of a
外部箱230能够类似于外部箱104地实施,并且包括开放的顶部244、封闭的底部246、箱壁248、外部环壁250、以及内部环壁252。The
外部环壁250和箱壁248限定第一环形空间254,外部环壁250和内部环壁252限定第二环形空间256,并且内部环壁252限定圆柱状空间258。Outer
液位指示器260延伸穿过底部246,并且与第一环形空间254流体连通。液位指示器260被流体地连接到透明的管262,该管沿着箱壁248外侧延伸,以提供例如外部箱230内侧液位的可见指示。A
空气喷嘴264延伸穿过底部246,并进入到第二环形空间256中。例如,空气喷嘴264可以与空气压缩机(未示出)流体地连接,使得压缩空气可以如下文描述的注入到第二环形空间256中。
液体导管266延伸穿过底部246,并且进入到圆柱状空间258中,并且流体地连接到差动质量交换器232,使得例如液体242的量可以从外部箱230传递到差动质量交换器232,并且液体242的量可以从差动质量交换器232传递进入到外部箱230。A
空气管道268延伸穿过底部246进入到圆柱状空间258中,空气管道268利用阀270可以选择性地打开和关闭,使得任何俘获在圆柱状空间258内空气可以通过打开阀270排出,如下文中的描述。An
分隔舱234可以类似于分隔舱106地实施,并且被降低进入到外部箱230的圆柱状空间258中。当分隔舱234完全浸没到外部箱230中时,分隔舱234的封闭腔274的圆柱状凹口272适合于在其中接纳空气管道268,使得分隔舱234抵靠或设定在空气管道268上。The
内部提升管236可以类似于内部提升管108地实施,或者与之不同。内部提升管236被至少部分地放置进入到第二环形空间256中,并且被设定尺寸使得,当内部提升管236完全地浸没在外部箱230中时,内部提升管236抵靠或设定在分隔舱234的顶部。可选择的缓冲器垫276可以用于缓冲内部提升管236和分隔舱234之间的连接。The
外部提升管238可以类似于外部提升管110地实施,或者与之不同。外部提升管238被至少部分地配置进入到第一环形空间254中,并且被设定尺寸使得,当外部提升管238完全地浸没在外部箱230中时,外部提升管238设定或者抵靠到内部提升管236上。外部提升管238连接到液压俘获部件240,使得液压俘获部件240产生大量加压液压流体,并且将此加压液压流体存储在液压蓄能器(未示出)中。例如,液压俘获部件240可以类似于如上所述的液压俘获系统112地实施。The
外部提升管238、内部提升管236、以及分隔舱234相对于外部箱230可垂直地移动,并且可以分别类似于如上所述的外部提升管110、内部提升管108和分隔舱106地实施。
现在参考图20,其中示出了根据本文中公开的发明构思的差动质量交换器232的示例性实施方式。差动质量交换器232包括两个或多个回旋袋280、致动器杆282、以及液压辅助器284。Referring now to FIG. 20 , there is shown an exemplary embodiment of a differential
第一回旋袋280与单元101a流体连通,并且第二回旋袋280与单元101b流体连通。回旋袋280大体上填充有液体114,并且起到了从外部箱104传递一定量的液体114进入到回旋袋280中,以及从回旋袋280传递到外部箱104中的作用。回旋袋280内的液体114的压力可以通过传感器286测量。回旋袋280与液体导管266流体连通。可选择地,例如,回旋袋280可以通过导管288彼此流体连通,该导管288可以利用闸阀290被选择性地关闭。The
两个回旋袋280的每一个均连接到致动器杆282的一个端部,使得当回旋袋280填充有液体114时,致动器杆282的端部292通过回旋袋280围绕支点294被向上施压。同时,当回旋袋280放气,并且力和一定量的液体114进入第二单元101b时,致动器杆282的相对的端部296围绕支点294被向下旋压。致动器杆282可以由任何适当的材料,例如,如钢、金属、钛、塑料、树脂、木材及其组合物构造。Each of the two
致动器杆282连接到摇臂298,使得摇臂298围绕支点294移动。摇臂298可以由任何适当的材料,例如、如钢、金属、钛、塑料、树脂、木材及其组合物构造。
可选择的配重物300可以连接到摇臂298,并且可以类似于配重物222地实施。配重物300可以包括流体填充腔(未示出)。配重物300可以为任何适当的重物,例如、如铅锭、钢板、混凝土压块、液体填充室、以及它们的组合。An
液压辅助器284连接到摇臂298,使得液压辅助器284能够将力施加到摇臂298上,以启动和控制摇臂298围绕支点294的移动。液压辅助器284可以与液压蓄能器212流体连通,并可以通过由液压蓄能器212供给的加压液压流体提供能量。
差动质量交换器232的操作类似于差动质量交换器102的操作,除了代替移动空气之外,差动质量交换器232在箱104a和104b以及回旋袋280之间移动一定量的液体114。The operation of differential
应当理解的是,其他的形状、材料、以及尺寸也可以被用于根据本文中公开内容的发明构思构造的设备100的不同的组件,只要上述其他的形状和尺寸能够形成同心的能够通过动态中心调整稳定的构造。应当进一步理解的是,其他的稳定装置可以使用根据本文中公开的发明构思的设备100,与动态中心调整—起,或者彼此。It should be understood that other shapes, materials, and dimensions may also be used for the various components of
根据上文的描述,本文中公开的发明构思适于执行上述目的并且适于获得本文中提及的优点以及本文中公开的发明构思的那些固有特性是清楚的。为了本文的目的描述了目前在本文中公开的发明构思的优选的实施方式,应当理解的是,本领域技术人员可以容易地建议作出多种变化,其位于本文中公开的发明构思的范围内,并且通过附加的权利要求限定。From the above description, it is clear that the inventive concept disclosed herein is suitable for carrying out the above objects and for obtaining the advantages mentioned herein as well as those inherent characteristics of the inventive concept disclosed herein. The presently preferred embodiments of the inventive concepts disclosed herein have been described for purposes herein, it being understood that those skilled in the art may readily suggest numerous changes which lie within the scope of the inventive concepts disclosed herein, and defined by the appended claims.
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